WSPÓŁPRACA SYSTEMU FOTOWOLTAICZNEGO Z UKŁADEM ZASILANIA W ENERGIĘ W BUDYNKU INTELIGENTNYM

Transkrypt

1 Damian GŁUCHY, Tomasz JARMUDA, Dariusz KURZ, Konrad SKOWRONEK, Grzegorz TRZMIEL Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej WSPÓŁPRACA SYSTEMU FOTOWOLTAICZNEGO Z UKŁADEM ZASILANIA W ENERGIĘ W BUDYNKU INTELIGENTNYM Streszczenie: W artykule przedstawiono podstawowe zagadnienia współpracy urządzeń fotowoltaicznych z innymi systemami zasilania w energię elektryczną. Scharakteryzowano stan rynku urządzeń fotowoltaicznych w Polsce i na świecie. Oceniono możliwości wykorzystania energii fotowoltaicznej w Poznaniu. Przeanalizowano systemy off-grid (autonomiczne), on-grid (podłączone do publicznej sieci elektroenergetycznej) oraz systemy autonomiczne z podłączeniem do sieci publicznej. Określono rolę mikroprocesorowego systemu zasilania awaryjnego UPS w budynku inteligentnym. 1. Wstęp Nie bez problemów, lecz w sposób ciągły, wzrasta rola zasilania urządzeń elektrycznych z układów fotowoltaicznych. Wspomniane problemy są związane przede wszystkim z kosztami urządzeń i losowym dostępem do energii z takich źródeł. Z przeglądu literatury tematu wynika między innymi wniosek o konieczności buforowania części energii fotowoltaicznej w budynkach inteligentnych. Pociąga to za sobą konieczność rozwiązywania nowych problemów głównie związanych z optymalizacją energetycznego zasilania w budynku.. Rynek urządzeń fotowoltaicznych Średni roczny wzrost produkcji światowej fotoogniw w ostatniej dekadzie wynosi około 45% i jest to jedna z najdynamiczniej rozwijających się technologii odnawialnych źródeł energii. Na rys.1 zaprezentowano wielkość i dynamikę wzrostu światowej produkcji fotoogniw na przestrzeni kilkunastu ostatnich lat. Analiza rynku fotowoltaicznego na świecie ukazuje ciągły wzrost mocy zainstalowanych systemów PV w wielu krajach świata. Światowa skumulowana moc zainstalowanych systemów PV w roku 010 wyniosła 3,5 GWp. Od kilku lat notowany jest z roku na rok blisko -krotny wzrost produkcji. Analitycy przewidują, że inwestycje w technologie fotowoltaiczne mogą się podwoić z 35 mld w 010 r. do 70 mld w 015 r. przy jednoczesnych spadkach cen dla konsumentów [3]. Rynek energii słonecznej w Polsce znajduje się w stadium rozwoju i stanowi marginalną część wśród wszystkich odnawialnych źródeł energii. Systemy fotowoltaiczne w Polsce w chwili obecnej funkcjonują jako rozwiązania mające charakter dydaktyczno-demonstracyjny, a także jako źródło zasilania np. stacji monitoringu, różnego typu sygnalizacji (np. morskiej), znaków drogowych itp. [1]. Wiodącymi systemami fotowoltaicznymi, ze względu na technologię wykonania urządzeń, są obecnie: systemy BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) architektoniczne, strukturalne i estetyczne systemy fotowoltaiczne zintegrowane z budynkami np. dachówki (gonty) PV, systemy fotowoltaiczne z koncentratorami (CPV, Nr 15 67

2 HCPV) skupiające promieniowanie i nakierowujące się w kierunku słońca oraz systemy zbudowane w oparciu o ogniwa cienkowarstwowe (CdTe, CIGS) np. membrany dachowe (TFPV) [4]. Rys. 1. Światowa produkcja modułów fotowoltaicznych w latach oraz planowana w [, 3] Produkcja energii w Polsce z wykorzystaniem instalacji fotowoltaicznych na tle nowych krajów członkowskich Unii Europejskiej przedstawiona jest na rys.. Sytuacja Polski wydaje się być w tym towarzystwie umiarkowana, jednakże na tle innych krajów europejskich takich jak: Niemcy, Hiszpania czy Włochy jest już znacznie gorzej. Na uwagę zasługuje Republika Czeska, gdzie w roku 008 nastąpił dziesięciokrotny wzrost zainstalowanych systemów fotowoltaicznych [5]. Rys.. Całkowita moc zainstalowanych systemów fotowoltaicznych w krajach nowych członkach Unii Europejskiej w 008 roku [5] 68

3 Nr 15 Współpraca źródeł energii Największy odsetek wśród instalacji fotowoltaicznych stanowią te, które są podłączone do sieci energetycznej (ang. on-grid), w Polsce jednak dominują cały czas instalacje autonomiczne (ang. off-grid), co spowodowane jest głównie nadal skomplikowanymi przepisami dotyczącymi warunków przyłączenia do sieci oraz brakiem odpowiednich programów wsparcia finansowego. W projekcie Polityki energetycznej Polski do 030 roku [6] przewiduje się moc zainstalowaną w fotowoltaice w Polsce do roku 00 na poziomie MWp (mocy nominalnej), podczas gdy w Czechach w roku 008 zainstalowano przeszło 50 MWp (w Niemczech ok. 1,5 GWp, a w Hiszpanii,5 GWp). W roku 00 spodziewane jest zrównanie się cen energii z fotowoltaiki i energii z paliw kopalnych w Polsce. Poważną przeszkodą stojącą przed rozwojem systemów PV są bariery prawno- -administracyjne, wynikające z nieprzystosowania prawa do tego typu inwestycji, przez co są one traktowane niemalże tak samo, jak duże projekty energetyczne. Zadanie identyfikacji i usunięcia zbędnych barier administracyjnych, uproszczenia prawa oraz dostosowania go do przyłączania małych rozproszonych systemów zasługuje na najwyższy priorytet w odniesieniu do wszystkich odnawialnych źródeł energii, a nie tylko dla farm wiatrowych na morzu, jak przewiduje lista zadań wykonawczych Polityki energetycznej Polski do 030 roku [6]. 3. Energia fotowoltaiczna w Polsce i w Poznaniu Uzysk energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej można obliczyć wykorzystując moc ogniwa fotowoltaicznego oraz położenie geograficzne instalacji. Niezbędne dane statystyczne o nasłonecznieniu w danym miejscu (czyli o ilości energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni), dla poszczególnych kierunków świata i pochylenia panelu o kąt 30, 45, 60, 90 stopni można uzyskać w Polsce ze strony internetowej Ministerstwa Infrastruktury [7]. Z przedstawionej poniżej mapy całkowitego nasłonecznienia w Polsce (rys. 3) można odczytać wartość gęstości mocy promieniowania jaka dociera do powierzchni ziemi. Aby obliczyć średnie natężenie (gęstość mocy) promieniowania słonecznego dla żądanego okresu czasu (np. dla miesiąca), należy podzielić nasłonecznienie przez sumę godzin liczonych od wschodu do zachodu słońca. Długość dnia w danej lokalizacji można wyznaczyć ze wzoru [7]: ìæ pö pù ü acosí - tançq tan ý î 80 ê N èøé ë80ú û H = þ p 7,5 80 gdzie: N szerokość geograficzna, Q deklinacja słoneczna, którą można wyliczyć ze wzoru [1]: gdzie: D kolejny dzień roku. Q é pö ù ê ç ( + ) úû æ -= 3,45 cos D 10 ëè 360 ø (1) () 69

4 Rys. 3. Całkowite nasłonecznienie Polski [8] Mając dane o nasłonecznieniu oraz długości dnia można wyznaczyć średnie natężenie promieniowania słonecznego w żądanym miesiącu. Uzysk energii E [kwh] z instalacji fotowoltaicznej wyznacza się ze wzoru [1]: Isr E T = E p (3) 1000 gdzie: T liczba godzin dziennych w danym miesiącu [h], I średnie natężenie promieniowania słonecznego dla danego miesiąca [W/m śr ], E p moc zainstalowana [kwp]. Wykonano analizę dla miasta Poznania, w punkcie określonym współrzędnymi geograficznymi 5,5 N i 16,51 E [8], dla przykładowej dachówki fotowoltaicznej TEGOSOLAR PVL68, o mocy Ep 60 [Wp] z 1 m powierzchni czynnej [8], nachyleniu instalacji 30 i ekspozycji południowej S. Po dokonaniu niezbędnych obliczeń, z wykorzystaniem danych zamieszczonych na stronie Ministerstwa Infrastruktury [10], w tabeli 1 zestawiono wartości miesięcznej długości dnia (liczby godzin dziennych), średniego natężenia promieniowania i uzysku energii. Roczne nasłonecznienie wynosi około 1050 [kwh/m ], co przewyższa nieznacznie wartość odczytaną z mapy całkowitego nasłonecznienia w Polsce, przedstawionej na rysunku 1. W związku z tym, łączny roczny uzysk energii z 1 m badanej dachówki fotowoltaicznej, przy 4358 godzinach dziennych, wynosi ok. 63 kwh. Powyższe rozważania nie uwzględniają rodzaju panelu, strat na inwerterze, połączeniach, temperatury otoczenia, masy wiatru czy odblasku światła od powierzchni ogniwa. Gdyby przyjąć łączne straty instalacji fotowoltaicznej na poziomie około 0%, uzyskalibyśmy energię w ilości około 50 [kwh] rocznie [7, 11]. 70

5 Tabela 1. Wartości obliczone dla Poznania Miesiąc Nasłonecznienie [Wh/m ] Liczba godzin dziennych T [h] Średnie natężenie promieniowania I [W/m śr ] Uzysk energii E [kwh] ,16, ,56, ,86 5, ,83 6, ,74 9, ,1 9, ,13 8, ,45 7, ,8 5, ,8 3, ,44, ,01 1, Sposoby współpracy systemu fotowoltaicznego z zasilaniem sieciowym Systemy fotowoltaiczne, bez względu na zastosowane w nich elementy, można podzielić, ze względu na sposób wykorzystania energii i współpracę z lokalną instalacją zasilającą, na: systemy off-grid (autonomiczne), on-grid (podłączone do publicznej sieci elektroenergetycznej) oraz systemy autonomiczne z podłączeniem do sieci publicznej. System off-grid nie posiada podłączenia do publicznej sieci elektrycznej, a wytworzona energia magazynowana jest w akumulatorach. Produkuje on energię dla poszczególnych odbiorników i ma zastosowanie przy małym zużyciu energii lub w przypadku braku możliwości podłączenia sieci energetycznej. System off-grid można również konfigurować pod kątem połączenia z siecią domową w celu dostarczenia energii elektrycznej do wybranych obwodów elektrycznych [1]. System on-grid jest zdecydowanie bezpieczniejszy i bardziej opłacalny od poprzedniego. Oddaje w całości energię elektryczną do sieci publicznej poprzez osobny licznik prądu. Drugim licznikiem pobierana jest energia z sieci. Rozliczanie z zakładem energetycznym następuje poprzez wystawienie faktury na podstawie wskazań obydwu liczników. Takie rozwiązanie najczęściej stosowane jest przez duże elektrownie słoneczne [13]. System autonomiczny z podłączeniem do sieci publicznej jest obecnie najczęściej stosowany z uwagi na połączenie pewności zasilania z oszczędnością. Energia z paneli słonecznych magazynowana jest w akumulatorach, a następnie poprzez inwerter zamieniana jest na napięcie 30 V zasilając odbiorniki prądu. W przypadku braku energii z systemu fotowoltaicznego następuje automatyczne przełączenie na zasilanie z publicznej sieci AC [1]. Nr 15 71

6 5. UPS a zasilanie fotowoltaiczne Krótkoterminowe zakłócenia z powodu nagłych, dużych obciążeń w godzinach szczytu, powodują zwarcia lub przeciążenia w systemie elektroenergetycznym dla linii wysokiego napięcia. W celu zapewnienia sprawnego przebiegu eksploatacji urządzeń i systemów informatycznych w przypadku zakłóceń w przepływie energii elektrycznej między publiczną siecią elektryczną i zasilanymi urządzeniami instalowane są systemy zasilania awaryjnego. Używane są następujące systemy: statyczne lub dynamiczne. Statyczny system UPS (Uninterruptible Power Supply) może pracować w trybie: on-line, off-line i line- -interactive. Długotrwałe lub krótkie przerwy w dostawie energii do sieci elektroenergetycznej są głównym zagrożeniem dla obciążenia w inteligentnych budynkach. Istnieją także inne poważne zaburzenia, które mogą być spowodowane przez wyładowania atmosferyczne i działanie urządzeń energetycznych w sieciach komunalnych lub państwowych. Występuje dziewięć typowych zakłóceń w sieci energetycznej: 1. Zanik napięcia zasilania który trwa ponad 0,01 s.. Chwilowe wahania amplitudy napięciowej powyżej 110% wartości skutecznej napięcia. 3. Udar napięciowy krótkie impulsy z czasem trwania poniżej 0,01 s. 4. Długoterminowe zmniejszenie napięcia RMS zmniejszenie wartości skutecznej napięcia poniżej 95%. 5. Szumy przypadkowe wahania napięcia. 6. Szumy impulsowe krótkotrwałe zmiany napięcia. 7. Przepięcia nagłe skoki napięcia. 8. Odkształcenia harmoniczne dodatkowe przebiegi harmoniczne. 9. Wahania częstotliwości napięcia w sieci energetycznej są rzadkością. Zakłócenia te wywołują szczególnie silny wpływ na wrażliwe urządzenia cyfrowe i elektroniczne, powodując zakłócenia danych w systemach komputerowych. Aby ustrzec się przed zakłóceniami, używamy UPS, który stanowi bufor ochronny między siecią energetyczną a wrażliwymi urządzeniami odbiorczymi. UPS spełnia w chronionym systemie elektroenergetycznym rolę podwójną, stanowi źródło energii elektrycznej w przypadku awarii zasilania oraz zapewnia ochronę przed zakłóceniami energii otrzymywanej z sieci [14]. Mikroprocesorowy system zasilania awaryjnego UPS zapewnia ciągłość dostaw energii elektrycznej w budynkach inteligentnych. Czas trwania awarii zasilania może trwać od kilku do kilkunastu sekund. Zasilacz wykonuje dwa zadania: zapewnia podłączonym odbiornikom zasilanie napięciem o wymaganych parametrach podczas normalnej pracy i chroni zasilanie w momencie, gdy napięcie jest słabej jakości i nie gwarantuje prawidłowego działania podłączonych urządzeń. 6. Podsumowanie Z analizy warunków naświetlania i innych wynika, że w Poznaniu może opłacać się wykorzystanie układów fotowoltaicznych w ramach systemu zasilania budynków inteligentnych w energię elektryczną. 7

7 Istnieje konieczność buforowania tego typu źródeł energii. Powinno to znaleźć odzwierciedlenie w przyszłych pracach badawczych. 7. Bibliografia 1. Butkowski Marek, Rynek technologii słonecznych w Polsce, PSE Wschód Sp. z o.o., Jäger-Waldan A.: PV Status Report 008, Joint Research Centre, European Commission, Jäger-Waldan A.: PV Status Report 011 Research, Solar Cell Production and Market Implementation of Photovoltaics, Joint Research Centre, European Commission, Mints P.: Is Booming Growth Sustainable? The Global Photovoltaic Industry, Renewable Energy World Magazine, Volume 11, Issue 4, July/August Pietruszko S.M.: Status of Photovoltaics 008 in the European Union New Member States, Centre for Photovoltaics Warsaw University of Technology, Warszawa, Polityka energetyczna Polski do 030 roku, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa, 10 listopada 009 r. 7. Szymański B., Blog SOLARIS, /010/0/jakobliczyc-uzysk-energii-z-ognniw.html, dn r., 8 dn r dn r dn r dn r , 14: , 17: Niezabitowska E., Mikulik J.: Podstawowe systemy bezpieczeństwa w budynkach inteligentnych, Gliwice, 010. Artykuł jest przedrukiem referatu wygłoszonego przez Autora na XIV Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP w dniu 3 listopada 011 r. w Poznaniu. Nr 15 73